گذرگاه (Bus) در کامپیوتر

گذرگاه کامپیوتر یک پیوند ارتباطی است که در یک سیستم کامپیوتری برای ارسال داده‌ها، آدرس‌ها، سیگنال‌های کنترلی و برق به اجزای مختلف یک سیستم کامپیوتری استفاده می‌شود.

گذرگاه‌های (Bus)‌ کامپیوتری برای اتصال قطعات سخت افزاری مختلف که بخشی از سیستم کامپیوتری هستند استفاده می‌شوند.

به عبارت ساده، گذرگاه‌های کامپیوتر سیم‌های الکتریکی هستند که اجزای سخت افزاری مختلف را در یک سیستم کامپیوتری به هم متصل می‌کنند. گذرگاه کامپیوتر، داده‌ها، سیگنال‌های کنترلی، آدرس‌های حافظه و منبع تغذیه را به این اجزا منتقل می‌کند.

سیستم کامپیوتری از انواع مختلفی از گذرگاه ها مانند گذرگاه داده، گذرگاه آدرس و گذرگاه کنترل استفاده می‌کند.

در این مقاله قصد داریم چیستی گذرگاه‌های کامپیوتری، معماری گذرگاه سیستم کامپیوتری، انواع گذرگاه‌‌ها، ویژگی‌های فنی و عملکرد گذرگاه‌های کامپیوتری را به تفصیل بررسی کنیم.

گذرگاه کامپیوتر چیست؟

سیستم کامپیوتری از تعدادی اجزای داخلی و خارجی تشکیل شده است. این مؤلفه‌ها از نظر فیزیکی به هم مرتبط هستند و از طریق شبکه‌ای از سیم‌ها که در سراسر سیستم رایانه وجود دارند با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند.

به این سیم‌ها گذرگاه‌‌های کامپیوتری گفته می‌شود. گذرگاه‌‌ها برای عملکرد سیستم رایانه ضروری هستند.

گذرگاه‌‌های رایانه می‌توانند به‌شکل کابل‌های سیمی یا سیم‌های الکتریکی تعبیه‌شده در PCB مادربرد (برد مدار چاپی) در قسمت پشتی مادربرد قابل مشاهده باشند.

برای متخصصان علوم رایانه مهم است که معماری گذرگاه سیستم کامپیوتری، ویژگی‌های فنی این گذرگاه‌ها مانند عرض و سرعت گذرگاه و تأثیر کلی آن بر عملکرد سیستم را مطالعه کنند.

گذرگاه یک مسیر ارتباطی مشترک است که در یک سیستم رایانه ای استفاده می‌شود که از طریق آن اطلاعات از یک جزء رایانه به جزء دیگر منتقل می‌شود.

سیستم گذرگاه کامپیوتر شبکه‌ای از گذرگاه‌ها است که به‌صورت فیزیکی همه اجزا را با سیم‌ متصل می‌کند (سیم‌های گذرگاه واقعی یا سیم‌های مدار روی مادربرد).

بسته به اجزای متصل و عملکردی که به گذرگاه اختصاص داده شده، سیستم گذرگاه از انواع مختلفی تشکیل شده است.

یک گذرگاه می‌تواند شامل مجموعه‌ای از سیم‌ها که با هم به عنوان سیم اتصال گروه‌بندی می‌شوند یا یک برد مدار چاپی باشد که داده‌ها و سایر دستورات را از CPU به حافظه و به اجزای مختلف دیگر متصل به سیستم منتقل می‌کنند.

پرفورمنس گذرگاه یک پارامتر مهم برای دسترسی به پرفورمنس سیستم کامپیوتری است و نیز عرض گذرگاه و سرعت آن بر عملکرد سیستم تأثیر می‌گذارد.

انواع گذرگاه‌های کامپیوتری

سیستم گذرگاه کامپیوتری بسته به هدف و عملکرد انواع مختلفی دارد.

گذرگاه‌های سیستم کامپیوتری را می‌توان بر اساس تعدادی از عوامل طبقه بندی کرد. این عوامل عبارتند از:

• نوع داده‌های در حال انتقال  (  داده‌ها، آدرس، سیگنال‌های کنترلی).
• بر اساس اجزای در حال اتصال (  گذرگاه داخلی و خارجی).
• قابلیت اتصال با چیپست CPU (  از طریق  Northbridge  یا  از طریق Southbridge)

انواع گذرگاه بر اساس نوع داده‌های در حال انتقال

گذرگاه‌‌های سیستم کامپیوتری را می‌توان بر اساس نوع داده‌های ارسالی به صورت زیر طبقه‌بندی کرد:

1. Data bus (گذرگاه داده)،     2. Address bus (گذرگاه آدرس) ،  3. Control bus (گذرگاه کنترل).

-گذرگاه داده: یک گذرگاه دو طرفه است  و می‌تواند داده‌ها را در هر دو جهت در امتداد گذرگاه حمل کند. برای مثال، CPU می‌تواند داده‌هایی را که قرار است در RAM ذخیره شوند، ارسال کند؛ به طور مشابه، CPU می‌تواند عملیات واکشی (استخراج یک دستورالعمل (که توسط تعدادی یا صفی از اعداد نشان داده می‌شود) از حافظه) را برای بازیابی داده‌ها از محل حافظه انجام دهد.

-گذرگاه کنترل: یک گذرگاه کامپیوتری است که توسط واحد کنترل CPU (CPU شامل یک واحد کنترل است که عملکرد همه اجزای دیگر متصل به سیستم رایانه را کنترل می‌کند) برای برقراری ارتباط با دستگاه‌هایی که به سیستم رایانه متصل هستند و انتقال سیگنال‌های کنترلی از یک مؤلفه به مؤلفه دیگر استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها با کمک کابل‌ها و برد مدارهای چاپی مانند مادربرد به سیستم متصل می‌شوند.

همچنین گذرگاه کنترل دو طرفه است و به CPU در همگام‌سازی سیگنال‌های کنترلی با اجزای داخلی و دستگاه‌های خارجی متصل به سیستم کمک می‌کند؛ گذرگاه کنترل سیگنال‌های کنترلی مانند سیگنال وقفه دستگاه، سیگنال فعال کردن بایتی، سیگنال‌های خواندن یا نوشتن حافظه و سیگنال‌های وضعیت را منتقل می‌کند.

-گذرگاه آدرس: برنامه کامپیوتری شامل تعدادی دستورالعمل است. این دستورالعمل‌ها CPU را برای انجام عملیات مورد نظر هدایت می‌کنند.

سیستم عامل دستورالعمل های برنامه و داده ها را در حافظه اصلی بارگذاری می‌کند.  CPU دستورالعمل‌های برنامه را یک به یک با واکشی این دستورالعمل‌ها از حافظه RAM اصلی (حافظه دسترسی تصادفی) اجرا می‌کند.

برای انجام عملیات خواندن یا نوشتن حافظه، CPU سیگنال کنترل خواندن یا نوشتن را از رم روی گذرگاه کنترلی و آدرس مکان حافظه در امتداد گذرگاه آدرساز جایی که قرار است عملیات انجام شود، ارسال می‌کند. 

گذرگاه آدرس بخشی از «System Bus » است که در مورد آن بحث خواهیم کرد.

انواع گذرگاه بر اساس اجزای در حال اتصال

گذرگاه‌های سیستم کامپیوتری را می‌توان بر اساس نوع اجزای متصل شده به صورت زیر طبقه بندی کرد:

1. گذرگاه داخلی (internal bus)    2. گذرگاه خارجی (external bus)

-گذرگاه داخلی: گذرگاه‌های داخلی اجزای مختلف سیستم داخلی مانند ریزپردازنده (CPU)، RAM (حافظه اصلی)، چیپست (North Bridge و South Bridge) و حافظه دیسک (هارد دیسک) را به هم متصل می‌کنند.

- گذرگاه خارجی: گذرگاه خارجی اجزای مختلف خارجی سیستم مانند مانیتور، صفحه کلید، چاپگر، هارد دیسک خارجی و سایر اجزای خارجی متصل به سیستم را به هم متصل می‌کند.

انواع گذرگاه بر اساس قابلیت اتصال با چیپست CPU

1. گذرگاه توسعه 

2. گذرگاه Front Side Bus (FSB)    

3. گذرگاه I/O (ورودی و خروجی)

- گذرگاه توسعه: ویژگی‌های پرفورمنس و عملکرد یک سیستم رایانه‌ای را می‌توان با افزودن کارت‌های اضافی مانند کارت گرافیک یا کارت صدا افزایش داد؛ اسلات‌های PCI و PCI Express برای اتصال کارت‌های افزودنی مانند کارت گرافیک و کارت صدا استفاده می‌شوند. این کارت‌ها برای افزایش عملکرد سیستم نصب می‌شوند.

اسلات‌های توسعه پورت‌هایی هستند که روی مادربرد یک سیستم رایانه‌ای قرار دارند که می‌توان کارت‌های توسعه را در آن نصب کرد. کاربر می‌تواند از این اسلات‌ها برای قرار دادن کارت‌های توسعه اضافی مطابق با نیازهایش استفاده کند.

گذرگاه توسعه گروهی از سیم‌ها یا PCB است که برای اتصال به اسلات‌های توسعه روی مادربرد استفاده می‌شود. این اسلات‌های توسعه برای نصب کارت‌های توسعه استفاده می‌شوند.

- Front Side Bus ( FSB ): این گذرگاه یکی از مهم ترین گذرگاه‌های ارتباطی است که برخی از حیاتی ترین اجزای داخلی سیستم مانند ریزپردازنده (CPU) و حافظه RAM اصلی را به هم متصل می‌کند که از گذرگاه داده، گذرگاه آدرس و گذرگاه کنترل تشکیل شده است.  و از این رو، به FSB گذرگاه سیستم نیز گفته می‌شود.

FSB ، واحد پردازش مرکزی کامپیوتر (CPU) را به حافظه RAM اصلی سیستم متصل می‌کند. FSB همچنین اسلات‌های PCI و DIMM را روی مادربرد با سوکت پردازنده متصل می‌کند.

و بنابراین، FSB یک گذرگاه ارتباطی مهم است که برخی از مهم ترین اجزا مانند CPU، حافظه RAM اصلی، کارت گرافیک و سایر قطعات متصل شده از طریق اسلات PSI را به هم متصل می‌کند.

این اجزا با استفاده از FSB از طریق یکی از تراشه‌های کنترل‌کننده حافظه به نام north bridge متصل می‌شوند. 

FSB روی مادربرد وجود دارد که به صورت اتصالات سیمی برد مدار چاپی (PCB) در سراسر PCB مادربرد تعبیه شده است .

سرعت FSB به عنوان یک پارامتر مهم در نظر گرفته می‌شود که به طور قابل توجهی بر عملکرد CPU تأثیر می‌گذارد و با مگاهرتز (MHz) اندازه گیری می‌شود.

سرعت FSB به طور کلی بین 66 مگاهرتز تا 800 مگاهرتز است. همچنین می‌توان آن را به صورت نسبی به سرعت CPU بیان کرد.

استانداردهای RAM - سرعت Front Side Bus (FSB):

- گذرگاه I/O (ورودی و خروجی): گذرگاه ورودی و خروجی مهمترین اجزای سیستم داخلی مانند ریزپردازنده (CPU)، حافظه رم اصلی سیستم و دستگاه‌های ورودی/خروجی را از طریق کنترل کننده ورودی و خروجی south bridge (در معماری گذرگاه مادربرد توضیح داده خواهد شد) به هم متصل می‌کند.

ویژگی های گذرگاه

عرض گذرگاه

گذرگاه داده دارای ویژگی‌های بسیار متفاوتی است، اما یکی از مهم‌ترین ویژگی‌ها عرض گذرگاه است. عرض گذرگاه داده به تعداد بیت‌هایی (سیم‌های الکتریکی) اشاره دارد که گذرگاه می‌تواند در یک زمان حمل کند.

به عنوان مثال، یک گذرگاه داده با عرض 16 بیت می‌تواند 16 بیت داده را به طور همزمان بین CPU و جزء سیستم مانند RAM (حافظه دسترسی تصادفی) حمل کند.

پهنای گذرگاه داده رایج شامل 8 بیت، 16 بیت، 32 بیت و 64 بیت است. هرچه عرض گذرگاه بیشتر باشد، سرعت جریان داده در گذرگاه داده بیشتر می‌شود و در نتیجه باعث عملکرد بهتر سیستم می‌شود.

گذرگاه یک بزرگراه اطلاعاتی است که اطلاعات از طریق آن جریان می‌یابد و هرچه گذرگاه وسیع‌تر باشد، اطلاعات بیشتری می‌تواند در کانال جریان یابد.

و بنابراین، عرض مناسب گذرگاه برای عملکرد بهینه واحد پردازش مرکزی (CPU) و حافظه RAM اصلی سیستم ، مهم است. شبیه یک بزرگراه عریض چند خطی که می‌تواند اتومبیل‌های بیشتری را به دلیل تعداد خطوط بیشتر حمل کند. در حالی که یک جاده تک خطی تعداد خودروهای کمتری را در مقایسه با یک جاده چند بانده می‌تواند حمل کند. 

سیستم کامپیوتری در سطح سخت افزار فقط دودویی 0 و 1 را درک می‌کند؛ بنابراین، تمام برنامه‌های کامپیوتری برای تبدیل به دستورالعمل‌های کد ماشین به صورت باینری کامپایل می‌شوند که CPU کامپیوتر می‌تواند آن را رمزگشایی و اجرا کند.

سرعت گذرگاه

سرعت گذرگاه یکی دیگر از پارامترهای مهم برای عملکرد گذرگاه است. سرعت گذرگاه با فرکانس آن که بر حسب هرتز بیان می‌شود، تعریف می‌شود.

فرکانس گذرگاه تعداد بسته‌های داده ارسال یا دریافت شده در هر ثانیه است. هر بار که داده‌ها ارسال یا دریافت می‌شوند، به عنوان یک چرخه نامیده می‌شوند.

سرعت گذرگاه معمولاً مربوط به FSB(Front Side Bus) می‌شود. FSB ، CPU را به تراشه کنترل‌کننده حافظه North-bridge(North-bridge مستقیماً از طریق FSB به یک CPU متصل می شود تا وظایف با عملکرد بالا را انجام دهد.) متصل می‌کند.

پهنای باند گذرگاه

اجازه دهید عرض گذرگاه و سرعت گذرگاه را با استفاده از قیاس بزرگراه خلاصه کنیم. اگر عرض گذرگاه تعداد خطوط موجود برای ترافیک باشد و سرعت گذرگاه میزان سرعتی است که وسایل نقلیه در هر یک از این خطوط در حال حرکت هستند.

پهنای باند حاصل ضرب عرض گذرگاه و سرعت گذرگاه ​​است و میزان ترافیکی را که کانال می‌تواند در هر ثانیه منتقل کند را نشان می‌دهد.

معماری گذرگاه مادربرد

CPU با استفاده از مدارهای کنترل کننده دستگاه که بر روی مادربرد قرار داده شده به اجزای داخلی سیستم (رم، کارت شبکه کارت گرافیک) و دستگاه‌های جانبی خارجی (مانیتور، چاپگر، ماوس، صفحه کلید) متصل می‌شود.

همه تراشه‌های کنترل‌کننده دستگاه فقط در دو تراشه کنترل‌کننده به نام چیپست (chipset) ادغام می‌شوند. چیپست (chipset) شامل دو تراشه آی سی (IC) برجسته به نام‌های North-bridge و South-bridge است که روی مادربرد قرار گرفته‌اند. 

تراشه کنترل کننده حافظه مدارهای North bridge و ورودی/خروجی تراشه کنترلر South bridge روی مادربرد قرار می‌گیرند.

اجزای داخلی  (CPU، حافظه RAM اصلی، کارت گرافیک) از طریق North Bridge متصل می‌شوند.

و سایر دستگاه‌های جانبی (مانیتور صفحه نمایش، چاپگر، صفحه کلید، ماوس) از طریق تراشه کنترل کننده ورودی و خروجی South Bridge متصل می‌شوند.

همه این مؤلفه‌ها با استفاده از سیستم سیم‌های گذرگاه که اساساً سه نوع مختلف اطلاعات (1. آدرس‌های حافظه، 2. دستورالعمل‌های کنترل و 3. داده ها) را حمل می‌کند، به هم متصل می‌شوند. 

جمع بندی

در این مقاله به چیستی گذرگاه کامپیوتر و بیان اساس‌های مختلف تقسیم گذرگاه‌ها و تعریف هر‌نوع از آن‌ها پرداخته شد و فهمیدیم که هر‌گونه ارتباط درون و به بیرون سیستم به وسیله گذرگاه‌ها انجام میشود و از این ‌رو دارای اهمیت فراوانی هستند و البته مطالعات در این زمینه میتواند وسیع‌تر و عمیق‌تر باشد و در این مقاله به صورت خلاصه توضیحاتی داده شد.